ДИЭЛЕКТРИКИ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Если подвесить на тонкой нити незаряженную стеклянную или янтарную палочку и поместить ее рядом с положительно заряженной сферой, то палочка установится так, что ее ось будет направлена по силовым линиям электрического поля. Получается, что на ближайшем к шару конце палочки появляется отрицательный заряд, противоположный по знаку заряду шара, а на другом ее конце возникнет заряд положительный. Концы палочки становятся как бы электрическими полюсами. Поэтому рассматриваемое явление получило название поляризации. В любом теле часть зарядов свободно перемещается под действием электрического поля, создавая электрический ток, а связанные заряды поляризуются.

Поляризация — важнейшая характеристика диэлектрика. В зависимости от того, преобладает ли движение свободных зарядов, или происходит поляризация, вещества делят на два класса — проводники и диэлектрики.

Поляризация диэлектрика и индукция зарядов на проводнике — совершенно различные явления. Разрезав в электрическом поле проводник на две части, можно отделить разноименные электрические заряды, и, напротив, «разделить» поляризационные заряды диэлектрика невозможно. В металлах отрицательные свободные заряды — электроны проводимости — перемещаются на большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом и могут смещаться только в пределах одной молекулы (по-другому можно сказать, что у диэлектриков целиком заполнена зона, см. Твердое тело).

Без электрического поля заряды разных знаков распределены по объему диэлектрика равномерно. Под действием внешнего поля заряды, входящие в каждую молекулу, смещаются в противоположных направлениях. Это смещение проявляется в виде появления зарядов на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, — поляризации.

Поляризация протекает по-разному в зависимости от вида химической связи в веществе диэлектрика. Так, например, в алмазе химическая связь ковалентная, и поляризация происходит лишь благодаря деформации электронных атомных оболочек в электрическом поле. В ионных кристаллах, таких, как каменная соль, в электрическом поле сдвигаются относительно друг друга ионы. В них происходит и деформация электронных оболочек, но это явление вносит незначительный вклад в полную поляризацию ионного кристалла по сравнению с вкладом ионов. Если молекулы вещества обладают собственным дипольным электрическим моментом (см. Диполь), то такой диэлектрик называют полярным. В полярных диэлектриках под действием внешнего электрического поля электрические дипольные моменты ориентируются вдоль него.

Поляризацию диэлектрика характеризуют вектором поляризации Р, который равен сумме электрических дипольных моментов всех молекул единицы объема вещества. Таким образом, эта величина — дипольный момент, приходящийся на единицу объема вещества диэлектрика. В случае изотропных диэлектриков Р = ε0χЕ. Величина χ получила название диэлектрической восприимчивости вещества. Электрическое поле в диэлектрике описывают вектором электрической индукции D = ε0E + Р. Для однородного диэлектрика D = ε0E(1 + χ) = ε0εE. Следовательно, диэлектрическая проницаемость вещества ε = 1 + χ

Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего электрического поля в диэлектрике поляризационными зарядами. Так, при полном заполнении конденсатора диэлектриком, если заряженный конденсатор отключен от внешней цепи, напряженность поля в конденсаторе убывает в е раз. Наибольших значений величина е достигает в постоянном электрическом поле у Полярных диэлектриков. Например, ε воды равна 81. Величина ε зависит от частоты колебаний электрического поля, так как поляризация не происходит мгновенно, а на нее требуется определенное время. Характерное время τ очень мало у веществ с ковалентной химической связью. У ионных кристаллов оно больше: τ ~ 10-13с, а у полярных диэлектриков 10-6 — 10-8 с. С увеличением частоты колебаний электрического поля, в котором помещен диэлектрик, поляризация убывает и стремится к величине, близкой к единице (электроны не успевают колебаться вслед за полем).

Поляризация может происходить в некоторых диэлектриках не только под действием электрического поля, но и в результате механических напряжений, возникающих в нем. Такие диэлектрики называют пьезоэлектриками (см. Пьезоэлектричество).

Удельное электрическое сопротивление диэлектриков на много порядков выше удельного сопротивления проводников (10-6 - 10-4 Ом/см) и заключено в интервале от 108 до 1017 Ом/см.

Диэлектрики используют для изоляции элементов электротехнических устройств. В квантовой электронике из диэлектрических материалов изготовляют основные элементы квантовых генераторов, эти материалы широко используются также в оптике, в частности в виде разнообразных кристаллов. Очень важный случай применения диэлектриков — использование их в электрических конденсаторах. Обкладки конденсатора изолируют друг от друга с помощью диэлектриков с высоким значением величины е, так как емкость конденсатора пропорциональна этой величине. Такие конденсаторы предназначены для работы в электрических полях низкой частоты. В конденсаторах, работающих в высокочастотных полях, применяют диэлектрики с ковалентной химической связью молекул — с малой величиной ε.