Диэлектрическая восприимчивость и проницаемость: Диэлектрическая восприимчивость — Википедия – 3. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Вектор электрического смещения. — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Диэлектрическая восприимчивость — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Диэлектри́ческая восприи́мчивость (или поляризу́емость) вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость χe{\displaystyle \chi _{e}} — коэффициент линейной связи между поляризацией диэлектрика P{\displaystyle {\mathbf {P} }} и внешним электрическим полем E{\displaystyle {\mathbf {E} }} в достаточно малых полях:

P=χeE.{\displaystyle {\mathbf {P} }=\chi _{e}{\mathbf {E} }.}

В системе СИ:

P=ε0χeE,{\displaystyle {\mathbf {P} }=\varepsilon _{0}\chi _{e}{\mathbf {E} },}

где ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} — электрическая постоянная; произведение ε0χe{\displaystyle \varepsilon _{0}\chi _{e}} называется в системе СИ абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

В случае вакуума

χe =0.{\displaystyle \chi _{e}\ =0.}

У диэлектриков, как правило, диэлектрическая восприимчивость положительна. Диэлектрическая восприимчивость является безразмерной величиной.

Поляризуемость связана с диэлектрической проницаемостью ε соотношением^[1]:

ε=1+4πχ{\displaystyle \varepsilon =1+4\pi \chi } (СГС)

ε=1+χ{\displaystyle \varepsilon =1+\chi } (СИ)

В общем случае, вещество не может поляризоваться мгновенно в ответ на приложенное электрическое поле, поэтому более общая формула содержит время:

P(t)=ε0∫−∞tχe(t−t′)E(t′)dt′.{\displaystyle \mathbf {P} (t)=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}(t-t’)\mathbf {E} (t’)\,dt’.}

Это значит, что поляризованность вещества является свёрткой электрического поля в прошлом и восприимчивости, зависящей от времени как χe(Δt).{\displaystyle \chi _{e}(\Delta t).} Верхний предел этого интеграла может быть расширен до бесконечности, если определить χe(Δt)=0{\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0} для Δt<0.{\displaystyle \Delta t<0.} Мгновенный ответ соответствует дельта-функции Дирака χe(Δt)=χeδ(Δt){\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=\chi _{e}\delta (\Delta t)}.

В линейной системе удобно использовать непрерывное преобразование Фурье и писать это соотношение как функцию частоты. Благодаря теореме о свёртке этот интеграл превращается в обычное произведение:

P(ω)=ε0χe(ω)E(ω).{\displaystyle \mathbf {P} (\omega )=\varepsilon _{0}\chi _{e}(\omega )\mathbf {E} (\omega ).}

Эта зависимость диэлектрической восприимчивости от частоты приводит к дисперсии света в веществе.

Тот факт, что поляризация вследствие принципа причинности может зависеть только от электрического поля в прошлом (то есть χe(Δt)=0{\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0} для Δt<0{\displaystyle \Delta t<0}), налагает на восприимчивость χe(0){\displaystyle \chi _{e}(0)} ограничения, называемые соотношениями Крамерса — Кронига.

В анизотропных кристаллах восприимчивость характеризуется тензором χij{\displaystyle \chi _{ij}}, так что связь между вектором поляризации и вектором напряжённости электрического поля выражается как:

Pi=χijEj{\displaystyle P_{i}=\chi _{ij}E_{j}}

где по повторяющимся индексам подразумевается суммирование.

Из закона сохранения энергии можно вывести, что тензор χij{\displaystyle \chi _{ij}} симметричен:

χij=χji{\displaystyle \chi _{ij}=\chi _{ji}}

В изотропных кристаллах недиагональные компоненты тензора тождественно равны нулю, а все диагональные равны между собой.

Сивухин Д. В. Общий курс физики. —

М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 66—67. — 688 с.

3. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Вектор электрического смещения.

Поляризованность – количественная мера поляризации. Поляризованность– суммарный дипольный момент единицы объема диэлектрика

где

– дипольный момент одной молекулы,n– число молекул в объемеV. Единицей поляризованности

является

. Если диэлектрик изотропный и напряженность поля

не слишком велика, то

линейно зависит от

где ₀– электрическая постоянная,, æ – диэлектрическая восприимчивость, безмерная величина, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться.

У некоторых диэлектриков æ не зависит от температуры, у полярных .

В результате поляризации на поверхности диэлектрика возникают некомпенсированные

поверхностные,связанныезаряды (поляризационные заряды) с поверхностной плотностью

, которые создают поле напряженностью

, направленное противоположно внешнему полю

(рис. 5а).

Связанные заряды– это заряды, входящие в состав атомов и молекул диэлектрика. Под действием поля они могут лишь немного (~10

-10м) смещаться из своих положений равновесия. Плотность связанных зарядов равна по абсолютной величине проекции поляризованности на направление внешней нормали

рассматриваемой поверхности

В тех точках, где угол между иострый

В тех точках, где угол между итупой

и.

Если , то

В случаях неоднородного диэлектрика возникают и объемные поляризационные заряды внутри самого диэлектрика. Так в объеме (рис. 5б) получился недостаток положительных зарядов, и он оказался заряженным отрицательно. Объемная плотность связанных зарядов

т.е. объемные связанные заряды возникают лишь в том случае, когда поляризованность

изменяется от точки к точке.

Под влиянием переориентации молекул, вызванной внешним электрическим полем, меняются механические свойства диэлектрика. Поэтому при поляризации диэлектрика в нем возникают упругие напряжения и происходит изменение его объема и формы. Это явление называется электрострикцией.

Связанные заряды, так же как и сторонниезаряды^{^}служат источниками электрического поля. Поэтому поле в диэлектрике является суперпозицией поля, создаваемого сторонними зарядами и поля

связанных зарядов

или .

Величина, показывающая во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостьюсреды и обозначается буквой:

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость æ связаны соотношением

В вакууме ; в веществе.

Чтобы вычислить напряженность поля в диэлектрике, нужно знать плотность связанных зарядов, что в ряде случаев затруднительно. Для упрощения вычисления полей вводится вспомогательная величина, которая называется электрическим смещением(электрической индукцией) и определяется соотношением

Так как для однородных изотропных диэлектриков

то

Вектор характеризует электрическое поле в данном веществе, которое создается только сторонними зарядами, но при таком их расположении в пространстве, которое имеет место в присутствии диэлектрика. Единицей измерения электрического смещения служит

4. Сегнетоэлектрики и их свойства.

Сегнетоэлектрикаминазывают полярные диэлектрики, которые в определенном интервале температур спонтанно (самопроизвольно) поляризованы, т.е.обладают поляризованностью при отсутствии внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова сольNaKC₄H₄O₆4Н₂О, титанат бария ВаTiО₃, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH₃)₃3H₂SO₄. В настоящее время известно уже свыше ста сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрики обладают рядом своеобразных электрических свойств:

1. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень велика (10³10⁴), в то время как у большинства обычных диэлектриков она составляет несколько единиц.

2. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков является функцией напряженностивнешнего электрического поля (рис. 6) и температуры (рис. 7).

3. У сегнетоэлектриков температурная зависимость имеет один (рис. 7) или несколько выраженных максимумов (рис. 8). Температуры, при которых наблюдаются эти максимумы называютсяточками Кюри(Т_к). Сегнетова соль имеет две точки Кюри (+22,5С и –15С). При нагревании сегнетоэлектрика выше Т_кон утрачивает необыкновенные свойства и становится обычным диэлектриком. У сегнетоэлектриков, которые имеют две и больше точек Кюри, особые свойства наблюдаются только при температурах, лежащих в пределах между этими точками. Зависимостьот температуры подчиняется закону Кюри-Вейсса:

где – константа, равная приблизительно 10^-510^-6град^-1.

4. Зависимость РотЕиDотЕне является линейной (рис. 9, 10).

5. Для сегнетоэлектриков характерно явление насыщения, состоящее в том, что начиная с некоторого значения Е,Рне изменяется (Р_s, рис. 9).

6. Всем сегнетоэлектрикам свойственен гистерезис(от греческого слова «гистерезис» – запаздывание), представляющий неоднозначную зависимость поляризованностиР(илиD) от напряженности электрического поля. ВеличинаР(илиD) определяется не только значениемЕв данный момент, но зависит еще от предшествующих состояний поляризации. При циклических изменениях поля зависимостьРотЕ(илиDотЕ) следует кривой, называемойпетлей гистерезиса.

При первоначальном увеличении поля нарастание поляризованности описывается кривой 1. Уменьшение Рпроисходит по ветви 2. При обращенииЕв нуль поляризованность не исчезает, а лишь уменьшается до значенияР_r, называемогоостаточной поляризованностью(если речь идет о, то остаточным смещениемD_r). Это говорит о том, что в сегнетоэлектриках имеется остаточная поляризация. Чтобы свести ее к нулю, нужно приложить полеЕ_спротивоположного направления.Величина Е_сназываетсякоэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е получается ветвь 3 петли гистерезиса. При температурах выше точки Кюри зависимостьР(илиD) отЕпри не слишком больших значениях напряженности поля становится линейной (рис. 12).

11. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Диэлектрическая проницаемость среды. Электрическое смещение.

При внесение диэлектрика в поле – он поляризуется. Поле поляризации будет напр. против осн. поля и ослаблять поле Е. Поле возникает в результате образования связанных зарядов в диэлектрике. Результирующее поле внутри диэл-ка:

(— поле поляризации,— внешнее поле)

Дипольный момент Pv=PV=Qd; (d –расст-е между пластинами, если он нах. внутри конденсатора)

(ε- диэлектр. прониц. показыв. во сколько раз поле ослабляется диэл-ком, количественно характеризует способность диэл-ка поляризоваться в эл. поле)

Электр. смещение- напр-ть эл. стат. поля Е зависит от св-в среды т.е вектор Е при переходе через границу диэл-ка., изменяется скачком. Вводится эл. смещение D. Для изотропной среды

;

D характеризует электростатич поле свободн. з-дов, но при таком их распределении в простр-ве, какое имеется при наличии диэл-ка.

12. Сегнетоэлектрики. Особенности. Пьезоэффект

.; ;

Точка Кюри – такая температура, что сегнетоэлектрик становится диэлектриком.

Гистерезис

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ — кристаллич. диэлектрики(полупроводники), обладающие в определённом диапазоне темп-р спонтаннойполяризацией, к-рая существенно изменяется под влиянием внеш воздействий. Отличительными чертами сегнетоэлектриков являются также высокие значения диэлектрической проницаемости, наличие пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, зависимость показателя преломления от величины приложенного электрического поля.

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрикапод действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект— возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

13. Проводники в электрическом поле.

Проводниками называют материалы, имеющие так называемые свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля. При помещении проводников во внешнее электрическое поле, свободные заряды начинают перемещаться в этом поле, если в объем проводника был дополнительно внесен некоторый заряд, то под действием этого внешнего поля, этот дополнительный заряд распределиться по поверхности проводника. Таким образом, при электризации проводника сообщенный ему дополнительный заряд оказывается, распределен в области поверхности проводника. Это распределение заряда будет происходить до тех пор, пока при распределении заряда потенциал поля в любой точке проводника не станет одинаковым.

14.Электроёмкость проводников. Конденсаторы. Соединения конденсаторов

Электроёмкость – физическая величина, численно равная заряду, сообщ. к-му уедин. пр-к изм. его потенциал на единицу.

где q — заряд,— потенциал проводника.

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость заряженного шара:

где ε0 — электрическая постоянная, равная 8,854·10^-12Ф/мВ этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

c=(ɛɛ˳S)/d

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Последовательное соединение

Параллельное

Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость

Такие явления, как диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость, встречаются не только в физике, но и в обычной жизни. В связи с этим следует определить значения данных явлений в науке, их влияние и применение в обычной жизни.

Определение напряженности

Напряженность является векторной величиной в физике, которая вычисляется по силе, влияющей на единичный положительный заряд, размещенный в исследуемой точке поля. После помещения диэлектрика во внешнее электростатическое поле он приобретает дипольный момент, иначе говоря, поляризуется. Чтобы количественно описать поляризацию в диэлектрике, применяют поляризованность — векторный физический показатель, вычисляемый как дипольный момент значения объема диэлектрика.

Вектор напряженности после перехода сквозь грань между двумя диэлектриками испытывает скачкообразное изменения, вызывая этим помехи во время расчета электростатических полей. В связи с этим вводится дополнительная характеристика — вектор электрического смещения.

С помощью диэлектрической проницаемости можно узнать, во сколько раз диэлектрик может ослабить внешнее поле. С целью наиболее рационального объяснения электростатических полей в диэлектриках применяется вектор электрического смещения.

Основные определения

Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды является коэффициентом, который входит в математическую запись закона Кулона и уравнения взаимосвязи напряженности электрического поля и электрической индукции. Абсолютная диэлектрическая проницаемость может быть представлена в виде произведения относительного показателя диэлектрической проницаемости среды и постоянной электричества.

Диэлектрическая восприимчивость, называемая поляризуемостью вещества, является физической величиной, способной поляризироваться под влиянием электрического поля. Также это коэффициент линейной связи внешнего электрического поля с поляризацией диэлектрика в малом поле. Формула диэлектрической восприимчивости записывается так: Х=na.

В большинстве случаев диэлектрики имеют положительную диэлектрическую восприимчивость, при этом данная величина является безразмерной.

диэлектрическая восприимчивость и проницаемость

Сегнетоэлектричество является физическим явлением, присутствующим в определенных кристаллах, которые называются сегнетоэлектриками, при определенных температурных значениях. Оно заключается в появлении спонтанной поляризации в кристалле даже без внешнего электрического поля. Отличие сегнетоэлектриков от пироэлектриков состоит в том, что в определенных температурных диапазонах их кристаллическая модификация изменяется, а случайная поляризация исчезает.

Электрики в поле ведут себя не как проводники, однако они имеют общие признаки. Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных заряженных носителей. Они там присутствуют, но в минимальных количествах. В проводнике подобным носителем заряда станет электрон, свободно перемещающийся в кристаллической решетке металла. Однако электроны в диэлектрике связаны с собственными атомами и не могут легко перемещаться. После внесения диэлектриков в поле с электричеством в нем появляется электризация, подобно проводнику. Отличием от диэлектрика является то, что электроны не свободно перемещаются по всему объему, как это протекает в проводнике. Однако под влиянием наружного электрического поля изнутри молекулы вещества возникает легкое смещение зарядов: положительный будет смещен по направлению поля, а отрицательный — наоборот.

В связи с этим поверхность приобретает определенный заряд. Процедура возникновения заряда на поверхности вещества под влиянием электрических полей именуется поляризацией диэлектрика. Если в однородном и неполярном диэлектрике с определенной концентрацией молекул все частицы одинаковы, то поляризация также будет одинакова. И в случае с диэлектрической восприимчивостью диэлектрика данная величина будет безразмерной.

Связанные заряды

По причине процесса поляризации в объёме диэлектрического вещества появляются некомпенсированные заряды, называемые поляризационными или связанными. Частицы, имеющие данные заряды, имеются в зарядах молекул и под влиянием наружного электрического поля смещаются из положения равновесия, не выходя из молекулы, в составе которой они располагаются.

Связанные заряды характеризуются поверхностной плотностью. Диэлектрическая восприимчивость и проницаемость среды определяет, во сколько раз сила связи двух электрических зарядов в пространстве меньше того же показателя в вакууме.

связь между диэлектрической проницаемостью и восприимчивостью

Относительная воздушная восприимчивость и проницаемость и большей части других газов в стандартных условиях близится к единице (из-за малой плоскости). Относительная диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектриках составляет десятки и сотни тысяч на поверхности разделения пары диэлектриков с различающимися показателями абсолютной диэлектрической проницаемости и восприимчивости вещества, а также равными между ними касательными составляющими напряжённости.

Среди множества практических ситуаций происходит встреча с переходом тока из металлического тела в окружающий мир, при этом удельная проводимость последней в несколько раз меньше проводимости данного тела. Подобные ситуации могут встречаться, к примеру, во время перехода тока сквозь зарытые в грунт металлические электроды. Зачастую используют электроды из стали. Если стоит задача определить диэлектрическую восприимчивость стекла, то задача будет несколько осложнена тем, что данное вещество имеет ионно-релаксационное свойство, из-за которого появляется небольшая запоздалость.

На границе пары диэлектриков с разными проницаемостями в присутствии внешнего поля появляются поляризационные заряды с различными показателями с разыми поверхностными плотностями. Так получается новое условие преломления линии поля во время перехода из диэлектрика в другой.

Закон преломления в случае с линиями тока по своей форме может считаться аналогичным закону преломления линий смещения на грани двух диэлектриков в электростатических полях.

Каждое тело и вещество окружающего мира имеет определенные электрические свойства. Причина этому кроется в молекулярной и атомной структуре — присутствие заряженных частиц, которые пребывают во взаимосвязанном или свободном состоянии.

Если на вещество не влияет внешнее поле, то такие части располагаются, уравновешивая друг друга, в общем суммарном объеме, не создавая дополнительных электрических полей. Если случится приложение электрической энергии снаружи, внутри имеющихся молекул и атомов появится перераспределение зарядов, что приведёт к появлению собственного внутреннего поля, которое будет направлено навстречу наружному.

При обозначении приложенного внешнего поля как Е0, а внутреннего Е’, то все поле Е будет суммой этих величин.

Все вещества в электричестве принято разделять на:

проводники;
диэлектрики.

Данная классификация существует достаточно давно, однако не совсем точна, поскольку наука давно открыла тела с новыми или комбинированными свойствами вещества.

Проводники

В качестве проводящих веществ могут выступать среды, в которых присутствуют свободные заряды. Зачастую таковыми материями считают металлы, поскольку их структура подразумевает постоянное присутствие свободных электронов, способных перемещаться внутри всей полости вещества. Диэлектрическая восприимчивость среды позволяет быть участником теплового процесса

диэлектрическая проницаемость и восприимчивость вещества

Если проводник находится в изоляции от влияния наружного электрического поля, то внутри него появляется баланс между положительными и отрицательными зарядами. Данное состояние сразу исчезает при появлении проводника в электрическом поле, который своей энергией перераспределяет заряженные частицы и провоцирует появление несбалансированных зарядов с положительной и отрицательной величиной на внешней поверхности

Данное явление называют электростатической индукцией. Появившееся под её действием заряды на поверхности металла называют индукционными зарядами.

Возникшие в проводнике индукционные заряды создают собственное поле, компенсирующее влияние внешнего поля внутри проводника. В связи с этим показатель полного суммарного электростатического поля будет скомпенсирован и равняться 0. Потенциалы каждой точки внутри и снаружи равны.

Данный результат свидетельствует о том, что изнутри проводника (даже с подключённым внешнем полем) отсутствует различие в потенциалах и нет электростатического поля. Данный факт применяется в экранировании из-за использования метода электрооптической защиты человека и чувствительного к полям электрооборудования, в особенности высокоточных приборов по измерению и микропроцессорной техники.

диэлектрическая восприимчивость и проницаемость среды

Связь между диэлектрической проницаемостью и восприимчивостью так же имеется. Однако выражена она может быть с помощью формулы. Так связь диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости имеет следующую запись: е=1+Х.

Принцип электростатической защиты

С помощью экранирования одежда и обувь из материй с токопроводящими свойствами, в том числе головные уборы, применяются в энергетике для безопасности персонала, проводящих работы в условиях высокой напряжённости, провоцируемой высоковольтными устройствами. Электростатическое поле не проникает внутрь проводника, потому что при внесении проводника в электрическое поле оно будет скомпенсировано полем, которое возникает в связи с перемещением свободных зарядов.

Диэлектрики

Данное название принадлежит веществам, имеющим изоляционные качества. В их составе пребывают лишь взаимосвязанные заряды, а не свободные. Каждая положительная частица в них будет скреплена с отрицательной внутри атома с общим нейтральным зарядом без свободного перемещения. Они распределяются изнутри диэлектриков и не могут изменять своего положения под влиянием наружных полей. При этом диэлектрическая восприимчивость вещества и получаемая энергия все-таки влечет определенные изменения в структуре вещества. Изнутри атома и молекулы меняется соотношение положительного и отрицательного зарядов частицы, а на поверхности вещества появляются лишние несбалансированные взаимосвязанные заряды, создающие внутреннее электрическое поле. Оно направленно навстречу прилагаемой снаружи напряженности.

Данное явление именуют поляризацией диэлектрика. Характеризоваться оно может тем, что изнутри вещества возникает электрическое поле, вызванное влияние наружной энергии, но ослабляемое противодействием внутреннего поля.

Типы поляризации

Внутри диэлектриков она может быть представлена двумя видами:

ориентационная;
электронная.

Первый тип также обладает дополнительным называнием — дипольная поляризация. Это свойство присуще диэлектрикам со смещенными центрами у положительного и отрицательного заряда, которые создают молекулы из малых диполей — нейтральной совокупности пары зарядов. Данное явление характерно для жидкости, сероводорода, доносила азота.

Без влияния наружного электрического поля у данных веществ молекулярные диполи ориентируются хаотично под действием действующих температурных изменений, при на внешней стороне у диэлектрика не появляется электрический заряд.

определить диэлектрическую проницаемость стекла

Данная картина меняется под действием прилагаемой снаружи энергии, когда диполи не сильно меняют собственную ориентацию и на поверхности появляются не скомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле со встречным направление к прилагаемому извне полю.

Электронная поляризация, упругий механизм

Данное явление возникает у неполярных диэлектриков — материалов иного типа с молекулами, в которых отсутствует дипольный момент, который под действием наружного поля деформируется так, что только положительные заряды ориентируются по направлению вектора внешнего поля, а отрицательные — в противолежащую стороны.

По итогу каждая молекула функционирует как электрический диполь, ориентированный по оси приложенного наружного поля. Подобным образом появляется на внешней поверхности собственное поле, имеющее встречное направление.

Поляризация неполярного диэлектрика

У данных веществ изменение молекул и последующая поляризация от влияния поля снаружи не находится в зависимости от их перемещения под действием температуры. В роли неполярного диэлектрика можно использовать метан СН4. Численные показатели внутреннего поля у обоих диэлектриков по величине поначалу будут изменяться пропорционально изменению наружного поля, а после насыщения появляются эффекты нелинейного типа. Они появляются, когда каждая молекулярная диполь выстроилась вдоль силовых линий возле полярных диэлектриков либо случились изменения неполярных веществ, вызванные сильной деформацией атомов и молекул от большой величины приложенной снаружи энергии. В практических случаях подобное происходит крайне редко.

Диэлектрическая проницаемость

В числе изоляционных материалов серьёзная роль отводится электрическим показателям и такой характеристике, как диэлектрическая проницаемость. Оба расценивается по двум разным характеристикам:

абсолютное значение;
относительный показатель.

Под термином абсолютной диэлектрической проницаемости у вещества понимается обращение к математической записи закона Кулона. С её помощью описывается в форме коэффициента связь вектора индукции и напряжённости.

§ 19. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Опытным путем установлено, что для однородных изотропных диэлектриков вектор поляризации: , где (хи) — диэлектрическая восприимчивость, не зависящая от напряженности поля величина.

Для большинства диэлектриков эта величина порядка 1, но для воды она равна 80, а для спирта – 30.

Диэлектрическая восприимчивость зависит от: химического состава и примесей, агрегатного состояния и температуры для полярных диэлектриков.

Рассмотрим электронную поляризацию. Как уже обсуждалось, в этом случае индуцированный дипольный момент молекулы равен:

Пусть в некотором объеме V содержится N молекул. Тогда: , т. е. диэлектрическая восприимчивость зависит только от концентрации молекул, поляризуемости молекулы и не зависит от температуры (рис.41 а)

При дипольной поляризации ориентации диполей препятствует тепловое движение и поляризуемость обратно пропорциональна абсолютной температуре (рис.41 б).

При наличии обоих типов поляризации график зависимости восприимчивости от температуры смещен (рис.41 с).

РИС.41 РИС.42 РИС.43

Получим выражение для вектора электрического смещения, используя связь между вектором поляризации и напряженности.

— относительная диэлектрическая проницаемость.

Формула связи справедлива только для однородных изотропных диэлектриков и позволяет рассчитать напряженность поля по известным вектору смещения и диэлектрической проницаемости.

Рассмотрим плоскопараллельный слой однородного и изотропного диэлектрика, расположенного перпендикулярно линиям напряженности электрического поля, созданного в вакууме (рис.42).

Поляризационные заряды создают поле, направленное противоположно внешнему полю и тогда результирующее поле в диэлектрике равно:

, ,

Отсюда следует, что, в данном частном случае, диэлектрическая проницаемость – это число, показывающее во сколько раз напряженность поля в вакууме больше напряженности поля в диэлектрике:

Необходимо подчеркнуть, что это справедливо лишь при следующих условиях:

1)поле в вакууме и диэлектрике создается одними и теми же свободными зарядами,

2)диэлектрик однородный и изотропный,

3)диэлектрик безграничный или его поверхности совпадают с эквипотенциальными поверхностями внешнего поля.

Если эти условия не выполняются, то данное соотношение не справедливо.

ПРИМЕР. Линии внешнего поля не перпендикулярны граням диэлектрика (т. е. грани не совпадают с эквипотенциальными поверхностями внешнего поля) как на рис.43.

Так как вектор напряженности поля поляризационных зарядов направлен перпендикулярно граням, то, в этом случае, напряженность результирующего поля в диэлектрике зависит не только от диэлектрической проницаемости и величины напряженности внешнего поля, но и от ее направления.