Диэлектрические материалы. Поляризация диэлектриков.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ. Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины. Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно. Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией. Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема. В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить

на следующие типы:

· Электронная;

· Ионная;

· Дипольная;

· Структурная.

Мгновенная поляризация (электронная, ионная) происходит практически без потерь энергии. Замедленная поляризация (электронно-, ионно-, дипольно-релаксационная, структурная, спонтанная) сопровождается потерями электрической энергии.

45) Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε — безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов. Относительная диэлектрическая проницаемость зависит от типа диэлектрика, физические условия (например, температура и давление). Поверхностная плотность заряда — это заряд, приходящийся на единицу площади тела. Поверхностная плотность заряда измеряется в Международной системе единиц (СИ) в кулонах на квадратный метр (Кл/м²). Средний дипольный момент, индуцированный полем в единице объема, называется поляризованностью диэлектрика.

46) Напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого

заряда :

.

Напряжённость поля является векторной величиной. В каждой точке пространства электрическое поле характеризуется вектором напряжённости. Поле считается заданным, если нам известна зависимость вектора напряжённости от координат точки и от времени. Напряжённость измеряется в Н/Кл. Сила и напряжённость, таким образом, являются коллинеарными векторами. Если заряд положительный, то сила направлена в ту же сторону, что и напряжённость. Если заряд отрицательный, то сила направлена противоположно напряжённости. Одна из основных задач электростатики – нахождение напряжённости поля, создаваемого данной системой зарядов. Диэлектрическая проницаемость — величина, показывающая зависимость электрической индукции от напряжённости электрического поля. Она позволяет оценить способность материала создавать электрическую емкость. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты поля; в сильных электрических полях диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от напряжённости поля. В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные. Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной полярности) имеет вид прямой; для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса.

47) Диэлектрические материалы. Объемное и поверхностное сопротивление В диэлектриках различают удельное объёмное S_v и удельное поверхностное S_s сопротивления. Удельное объёмное сопротивление (Ом*м) - это отношение напряжённости электрического поля к плотности

тока, проходящего через объём образца материала. Удельное поверхностное сопротивление (Ом) - это отношение напряжённости электрического тока к току на единицу ширины поверхности образца материала. Поверхностная проводимость зависит от состояния поверхности диэлектрика, наличия слоя сорбированной влаги, толщина которого зависит от относительной влажности воздуха. Поэтому удельное поверхностное сопротивление растёт с понижением

влажности воздуха. Удельная объемная и удельная поверхностная проводимости являются величинами, обратными соответствующим удельным сопротивлениям.