Тема 3.1 Физика диэлектриков

К основным электрическим характеристикам диэлектриков относятся диэлектрическая проницаемость, электропроводность, диэлектрические потери и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость

В диэлектрике носители электрического заряда прочно связаны с атомами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Различают следующие виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная и спонтанная (самопроизольная).

Рисунок 3.1 – Электронная поляризация атомов водорода

а – в отсутствии внешнего поля, б – при наличии поля

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью. Она может быть найдена по измеренной емкости кон­денсатора с диэлектриком:

,

где С – емкость конденсатора с диэлектриком;

С₀ - емкость того же конденсатора в вакууме.

На рис. 3.2 изображены два плоских конденсатора, площадь электро­дов которых равна S (м²), а расстояние между ними h (м). В кон­денсаторе, изображенном на рис. 3.2, а, между электродами ва­куум, а на рис. 3.2, б - диэлектрик. Если электрическое напря­жение на электродах U (В), то напряженность электрического поля равна Е = U/h (В/м).

Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом и равен Q₀ (Кл).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлек­трик, связанные положительные и отрицательные заряды смещают­ся. В результате образуются электрические диполи (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2 - Электрические заряды на электродах конденсатора при подаче напряжения U

Поэтому на поверхности ди­электрика образуются поляризационные заряды: отрицательный у положительного электрода, и наоборот. Для компенсации этих по­ляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный пол­ный заряд Q в конденсаторе с диэлектриком равен

Q=Q₀ + Q_д = ε_rQ₀,

где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом и с диэлектриком между элек­тродами равна

Емкость С₀ (Ф) называют геометрической емкостью конденсатора.

При этом емкость плоского конденсатора определяется по формуле

,

где ε₀ = 8,84·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.

Емкость цилиндрического конденсатора

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, в первую очередь, определяется механизмами поляризации. Однако величина в в боль­шой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняются плот­ность вещества, его вязкость и изотропность.

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших рас­стояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице.

Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, ко­торое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолют­ной температуре.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, опре­деляется одновременно электронной и дипольно-релаксационной сос­тавляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента дипо­лей и чем больше число молекул в единице объема.

В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение диэлектрической проницаемости имеют твер­дые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией.

Диэлектрики подразделяются на полярные - ε_r>2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - ε_r≤2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в конденсаторах.

К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным (дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов поляризаций (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).