Атом водорода Классическая теория теплоёмкости Дебаевская теория Решётка Браве Проводимость твёрдых тел Проводники, полупроводники и изоляторы Прикладная математика и физика Электромагнитное взаимодействие Первообразная функция Интегрирование Вычислить производную задачи

Лекции по курсу Электротехнические материалы начало

Поляризация диэлектриков. Основные определения

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

[Поляризованные состояния молекулы диэлектрика]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

[Cappa] - безразмерный параметр, диэлектрическая восприимчивость;
[Epsilon]о - электрическая постоянная, 8.854.10-12 Ф/м.

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

 

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:

[POL3A]

На рисунке а) показан конденсатор, помещенный в вакуум. В этом случае на его пластинах возникнет заряд Qo. 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 Qд, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком

Q = Qо + Qд = [Epsilon].Qо. (4)

где [Epsilon] - 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.

[Epsilon]= Q/Qо = (Qо + Qд)/Qо = 1 + Qд/Qо. (5)

Из формулы (5) видно, что если Qд=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 = [Epsilon].Qo/U =[Epsilon].Сo, (7)

[Epsilon] = С/Сo. (8)

Используя понятие поляризации и диэлектрической проницаемости можно классифицировать диэлектрики на линейные и нелинейные (пассивные и активные).

Классификация диэлектриков на линейные и нелинейные

Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях зависимость поляризованности от напряженности поля можно записать в виде

, (9)

где Cappa - диэлектрическая восприимчивость диэлектрика.

В сильных электрических полях линейная зависимость между поляризованностью и напряженностью поля нарушается. Пропорциональности между векторами Р и Е нет также у нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики.

[POL6A]

Характер изменения поляризованности и диэлектрической проницаемости от напряженности поля для линейных диэлектриков, у которых Р и [Epsilon] изменяются пропорционально изменению Е, показан на рисунке.

Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.

[POL7A]

На этих рисунках показано изменение поляризованности и диэлектрической проницаемости от напряженности поля для нелинейных диэлектриков.

Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.

Лекции по курсу Электротехнические материалы начало

Решение задач по физике, электротехнике, математике