Что такое диэлектрическая проницаемость: какие вещества не проводят электрический ток

Способность различных веществ проводить электрический ток

Если не брать во внимание физическое состояние, все материалы можно разделить на три группы по степени проводимости электричества:

Рассмотрим каждый случай подробнее.

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники – вещества со свободными электрическими зарядами, способные двигаться направленно под действием внешнего электрического поля. Эти особенности:

• металлы и их отливки;
• природный углерод (уголь, графит);
• электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
• ионизированный газ (плазма).

Основное свойство материалов — свободные заряды: электроны в твердых проводниках и ионы в растворах и расплавах, двигаясь по всему объему проводника, проводят электрический ток. Под действием электрического напряжения, приложенного к проводнику, создается управляющий ток. Удельное сопротивление и электрическая проводимость являются основными показателями материала.

Свойства диэлектрических материалов противоположны свойствам проводников электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. Они не обладают способностью перемещать заряженные частицы под действием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают на поверхности нескомпенсированные заряды. Они образуют электрическое поле, направленное внутрь изолятора, диэлектрик поляризуется.

В результате поляризации заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство электроизоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Итак, начнем с проводника

Проводник – это вещество, состоящее из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, отсюда и название тепловое движение.

Есть два основных параметра проводника: сопротивление, обозначаемое буквой R, или проводимость, обозначаемая буквой G. Проводимость обратна сопротивлению: G = 1/R.

То есть проводник – это материал, проводящий ток.

Что такое водитель? Металлы являются лучшими проводниками, особенно медь и алюминий. Солевые растворы, влажная почва, уголь также являются проводниками. Последний нашел широкое применение при работе со скользящими звеньями.

Примером такого применения являются щетки в электродвигателе. Человеческое тело также является проводником электричества. Но электропроводящие свойства вышеперечисленных материалов все же ниже, чем у металлов.

Сама структура металлов включает в себя большое количество свободных заряженных частиц, что делает их лучшими проводниками.

Когда металл подвергается воздействию электрических полей, происходит процесс, называемый электрической индукцией. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распространяться.

Металлы как проводники электрического тока

Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и характеризуется большим количеством свободных электронов, являющихся носителями заряда при создании правильных условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не забывайте, что металлы могут находиться и в жидком состоянии, пример тому ртуть. Но наибольшее распространение в качестве проводников получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образует оксиды, проводящие электрический ток только при определенных условиях и являющиеся по своей природе полупроводниками. Они будут рассмотрены ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.

Жидкие проводники электрического тока

Жидкие проводники – это кислоты, растворы, электролиты, проводящие электрический ток. Носителями заряда в этих случаях являются ионы. Следует отметить, что распространенное мнение о том, что вода является проводником, в корне неверно. Когда H2O находится в чистом состоянии, она не содержит свободных ионов. Если при помещении электродов в воду течет электрический ток, это свидетельствует лишь о том, что в данном случае мы имеем дело с раствором какого-то вещества.

Перейдем к диэлектрикам

Диэлектрик — это вещество, не подчиняющееся влиянию электрического поля, т е не пропускающее через себя ток, а если и пропускающее, то в ничтожно малом количестве.

Это происходит потому, что в них нет свободно движущихся частиц с током, так как они имеют очень сильную атомную связь.

В жизни такими веществами являются резина, керамические компоненты, стекло, некоторые виды смол, дистиллированная вода, карбонит, фарфор, текстолит, а также сухая древесина и т д.

Именно благодаря своим свойствам вышеупомянутые материалы являются основой для корпусов различных электроприборов, выключателей, розеток, вилок и других устройств, непосредственно контактирующих с электричеством.

Изоляционные элементы в сетях также выполнены из диэлектрических материалов.

Но не все так просто с диэлектриками. Если через них пропускать ток выше нормы, хранить или устанавливать их в условиях повышенной влажности или использовать их неправильно, то это может вызвать такое явление, как «пробой изолятора» — это означает, что диэлектрический материал теряет свою неработоспособность как проводник и становится дирижером.

То есть, если кратко описать ситуацию, то главное в диэлектрике – это его электроизоляционная способность. Таким образом, эти устройства помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.

Свойства диэлектрика измеряются его диэлектрической прочностью – это показатель, который равен напряжению пробоя диэлектрика.

И наконец мы дошли до полупроводников

Полупроводники называются так потому, что обладают свойством проводить ток, но не всегда. Для этого этому веществу нужно создать особые условия. К нему необходимо приложить энергию в определенном количестве.

Полупроводник имеет свои свойства потому, что в его структуре очень мало частиц свободных носителей, а их может и не быть вовсе. Но стоит воздействовать на них с определенной энергетикой, и они активно появляются и двигаются.

Энергия может быть не только электрической, но и на нее может влиять тепловая энергия или различные излучения. Например, свободно движущиеся элементы появляются под действием излучения в УФ-спектре.

Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, также это может быть смесь арсенида и гелия, мышьяк, селен и другие.

Использование полупроводников может быть различным. Из этого материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.

Для более подробного объяснения работы полупроводника применим так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет наличие или отсутствие свободных заряженных частиц по отношению к определенным энергетическим уровням.

Энергетический уровень (оболочка) – это количество простых частиц, таких как молекулы, атомы, то есть электроны. Этот показатель измеряется в электрон-вольтах (ЭВ).

Следует отметить, что проводящие слои образуют непрерывную диаграмму от валентной зоны к зоне проводимости. Если эти две зоны перекрываются, возникает перекрывающаяся зона.

Под влиянием определенных воздействий, таких как электрические поля, температурные условия и др., количество электронов может изменяться.

На основе описанных выше процессов электроны с минимальным энергетическим воздействием начинают двигаться в проводнике.

Полупроводники между двумя упомянутыми выше зонами также имеют запрещенную зону. Размер этой зоны показывает количество энергии, которого будет достаточно для управления током.

Диэлектрики по структуре аналогичны полупроводникам, но их защитный шар намного больше из-за внутренних связей материала.

Рассказываем об основных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что они отличаются друг от друга проводимостью тока. Именно поэтому каждый материал имеет свою область применения.

Поэтому проводники используются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.

Использованием диэлектриков объясняется изготовление различной изоляции токопроводящих участков.

Ну а полупроводники активно используются в электронике.

Характеристики и физические свойства материалов

Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:

• удельное электрическое сопротивление – характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
• температурный коэффициент сопротивления – величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
• теплопроводность – количество теплоты, проходящее в единицу времени через слой материала;
• контактная разность потенциалов: возникает при соприкосновении двух разнородных металлов, используется в термопарах для измерения температуры;
• прочность на растяжение и удлинение при растяжении: зависит от типа металла.

При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.

Свойства, характеризующие проводник:

• электрические — электрическое сопротивление и проводимость;
• химическая – взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, возможность соединения сваркой или пайкой;
• физические — плотность, температура плавления.

Одной из характеристик диэлектриков является сопротивление воздействию электрического тока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

• диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
• удельное объемное сопротивление;
• электрическая сила;
• тангенс угла диэлектрических потерь.

Теплоизоляционные материалы характеризуются следующими параметрами:

• электрические — величина пробивного напряжения, электрическая сила;
• физическая — термостойкость;
• химический – растворимость в агрессивных средах, стойкость к влаге.

Виды и классификация диэлектрических материалов

Изоляторы делятся на группы по различным признакам.

Классификация по агрегатному состоянию вещества:

• твердые – стекло, керамика, асбест;
• жидкость: растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремниевые соединения и фторорганический фреон, фреон);
• газообразные — воздух, азот, водород.

Диэлектрики могут быть природного или искусственного происхождения, органического или синтетического происхождения.

К органическим природным изоляционным материалам относятся растительные масла, целлюлоза и каучук. Отличаются низкой термо- и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы представляют собой различные виды пластика.

К природным неорганическим диэлектрикам относятся: слюда, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы: стекло, фарфор, керамика.

Твердые диэлектрики

Диэлектрики разные. Например, твердые диэлектрики могут обеспечить безопасность устройств с электрическим питанием. Они являются хорошими изоляторами тока, а это значит, что они сильно влияют на долговечность этих устройств. Например, диэлектрические перчатки.

Жидкие диэлектрики

Но жидкие диэлектрики нужны для другого. Они используются в конденсаторах, кабелях, системах охлаждения циркулирующего воздуха и многих других устройствах.

Газообразные диэлектрики

Существуют также газообразные диэлектрики, хотя в наши дни они не так популярны. Эти диэлектрики были созданы самой природой. Например, водород используется для мощных генераторов, которые просто обладают невероятной теплоемкостью, а вот азот помогает максимально уменьшить окислительные процессы. Мы рассматриваем воздух как простейший пример газообразного диэлектрика. Да-да, он тоже диэлектрик и тоже может отводить тепло.

Почему диэлектрики не проводят электрический ток

Низкая проводимость обусловлена ​​структурой диэлектрических молекул. Частицы вещества тесно связаны друг с другом, они не могут покинуть атом и перемещаться по всему объему вещества. Под действием электрического поля частицы атома могут немного разрыхлиться, поляризоваться.

В зависимости от механизма поляризации диэлектрические материалы делятся на:

• неполярные — вещества в различных агрегатных состояниях с электронной поляризацией (инертные газы, водород, полистирол, бензол);
• полярный: имеет диполярную релаксацию и электронную поляризацию (различные смолы, целлюлоза, вода);
• ионные – твердые диэлектрики неорганического происхождения (стекло, керамика).

Диэлектрические свойства вещества непостоянны. Под действием высоких температур или высокой влажности электроны отрываются от ядра и приобретают свойства свободных электрических зарядов. Изоляционные качества диэлектрика в этом случае снижаются.

Надежный диэлектрик — это материал с малым током утечки, не превышающим критического значения и не прерывающим работу системы.

Где применяются диэлектрики и проводники

Материалы применяются во всех сферах деятельности человека, в которых используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовых приборах.

Выбор драйвера определяется его техническими характеристиками. Изделия из серебра, золота и платины имеют наименьшее удельное сопротивление. Его использование ограничено космическими и военными целями из-за высокой стоимости. Медь и алюминий несколько хуже проводят ток, но их относительная дешевизна обусловила их широкое применение в качестве проволочно-кабельной продукции.

Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в ряде случаев требуется применение проводников с высоким удельным сопротивлением, для изготовления реостатов, электропечей и электронагревателей. Для этих целей применяют сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза меньше, чем у меди, но их свойства широко используются в производстве электрических ламп и радиоприборов.

Твердые диэлектрики – это материалы, гарантирующие безопасность и бесперебойную работу токопроводящих элементов. Они используются как электроизоляционный материал, предотвращающий утечку тока, изолирующий жилы друг от друга, от корпуса устройства, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, о которых рассказано в нашей статье.

Жидкие диэлектрики применяются в конденсаторах, силовых кабелях, циркуляционных системах охлаждения турбогенераторов, высоковольтных масляных выключателях. Материалы используются в качестве наполнителя и пропитки.

Газоизоляционные материалы. Воздух является естественным изолятором, который также обеспечивает рассеивание тепла. Азот применяют там, где недопустимы окислительные процессы. Водород используется в мощных генераторах с большой теплоемкостью.

Слаженная работа проводников и диэлектриков обеспечивает безопасную и стабильную работу электросетевого оборудования и сетей. Выбор конкретного элемента для поставленной задачи зависит от физических свойств и технических параметров вещества.

Принцип работы

Движение свободных зарядов вызывает электропроводность. Требование существования электрического поля в веществе сводится к тому, что электропроводность вещества достаточно мала. На практике вещество можно считать диэлектриком, сопротивление которого > 10, возведенное в десятую степень Ом-см.

Термин диэлектрик носит условный характер: когда на вещество действует только кратковременное напряжение, а поле в диэлектриках существует лишь кратковременно, то можно рассматривать вещества со значительно меньшим удельным сопротивлением, чем указано выше, например, дистиллированную воду. Напротив, при длительном приложенном постоянном напряжении в ряде случаев мы вынуждены интерпретировать вещества с упомянутым ранее sp-сопротивлением как проводники.

Все вещества, независимо от агрегатного состояния, построены из зарядов, связанных большими или меньшими силами взаимодействия. Чтобы вещество было диэлектрическим, то есть обладало малой электропроводностью, необходимо, чтобы составляющие его заряды, ионы и электроны не могли свободно перемещаться при приложении поля.

В изолированном атоме энергия электронов, согласно требованиям волновой механики, не может иметь никаких, а только определенные дискретные значения W1, W2, W3,… (рисунок, а). При объединении атомов в твердую кристаллическую решетку каждый из этих уровней несколько видоизменяется и распадается на ряд близко расположенных новых уровней, образующих общую для всего кристалла зону (рисунок, б).

В кристаллической решетке энергия электронов может иметь только значения, находящиеся внутри полос; значения энергии, соответствующие промежуткам между полосами, для электронов запрещены. Каждая зона, согласно принципу Паули, может вместить лишь ограниченное число электронов. Электроны будут стремиться оседать на самые низкие энергетические уровни, но нижняя зона не сможет вместить их всех и они заполнят несколько зон.

Если при этом высшая зона зон, в которых находятся электроны, заполнена ими лишь частично, то электроны, находящиеся в этой зоне, при приложении поля смогут свободно перемещаться внутри зоны и могут считаться бесплатным; это вещество будет хорошо проводить ток (быть проводником). Если верхняя из занятых зон полностью заполнена электронами, то электроны не могут двигаться под действием поля и должны считаться связанными: это вещество является диэлектриком. В случае аморфных твердых тел, характеризующихся беспорядочным расположением атомов, не могут образовываться зоны, общие для всего кристалла, поэтому электроны будут лишены возможности двигаться и, следовательно, указанное вещество будет диэлектриком.

Помимо движения электронов необходимо также учитывать движение атомов или ионов. Тепловое движение этих частиц будет состоять из колебаний вокруг положения равновесия. Однако будет доступно некоторое количество ионов, энергия теплового движения которых настолько велика, что они смогут преодолеть силы, связывающие их вместе. Мы будем называть эти условно «свободные» ионы. Такие ионы покинут свои места и перейдут к другим, где их потенциальная энергия, как и в местах, откуда они пришли, будет как можно меньше. В случае диэлектрика, имеющего плотную кристаллическую решетку, местами, где ионы могут находиться в равновесном состоянии, являются узлы решетки. Согласно Шоттки.

Аморфные диэлектрики

В аморфных диэлектриках с их более гибкой структурой гораздо больше мест, где ион может находиться в равновесном состоянии. Затраты энергии при переходе из одного равновесного состояния в другое также будут различными. Будут переходы, требующие меньшей энергии, при которых ион, однако, не будет полностью освобождаться от связывающих его сил, а, оставаясь «полусвязанным», продвинется лишь на небольшое расстояние. Эти переходы будут происходить главным образом в результате теплового движения. Гораздо меньшее количество ионов, более богатых энергией, сможет полностью отделиться от связывающих их сил. Эти ионы по аналогии со случаем кристаллической решетки можно условно назвать «свободными». Этот образец теплового движения соответствует твердому состоянию.

Переход от твердого к жидкому состоянию

Переход из твердого состояния в жидкое происходит по-разному для кристаллических и аморфных веществ. В первом случае мы наблюдаем ярко выраженную t°пл T8, а вязкость жидкости уже при температуре Ts мала. В случае аморфных диэлектриков t°pl не наблюдается, и переход из одного состояния в другое происходит в первом приближении непрерывно путем постепенного уменьшения вязкости. Однако более детальное изучение явления перехода из твердого состояния в жидкое показывает, что существует определенная температура Tg, характерная для данного вещества, при которой вязкость претерпевает резкий скачок и вещество, остающееся очень вязким, начинает течь.

Ниже температуры Tg вещество следует считать твердым, выше – жидким. При температурах немного выше Tg аморфный диэлектрик сохраняет ряд свойств, характерных для твердого состояния. Молекулы диэлектрика все еще частично упруго связаны. Чем выше температура, тем слабее будут эти эластичные связи; при температурах, значительно превышающих Tg, в первом приближении можно считать, что молекулы в жидкости движутся свободно. При температурах, близких к началу размягчения, движение молекул хотя и возможно в принципе, но очень затруднено. Внешне это выражается в том, что вязкость такой жидкости еще очень высока. По мере повышения температуры движение молекул встречает меньше препятствий.

В качестве меры того, насколько «свободны» молекулы в своем движении, мы можем выбрать вязкость жидкости. Тепловое движение молекул в жидкостях:

1. в колебании около положения равновесия, когда они соединены в комплексы,
2. в движениях поступательного и вращательного движения, когда они свободны.

При плавлении кристаллического диэлектрика, имеющего ионную сетку (например, соли), как правило, получается проводящая жидкость, которую нельзя считать диэлектриком. В случае кристаллов с атомно-молекулярной решеткой плавление приводит к маловязким диэлектрическим жидкостям; движение молекул в этих жидкостях можно считать свободным.

Жидкости, помимо нейтральных молекул, всегда содержат некоторое количество ионов, которые образуются как в результате диссоциации молекул жидкости, так и в результате диссоциации молекул примесей. В газообразном состоянии поступательное и вращательное движение молекул ничем не ограничено.

Диэлектрик в постоянном электрическом поле

При помещении диэлектрика в постоянное электрическое поле на составляющие его заряды действуют силы, вызывающие:

1. смещение связанных зарядов (электронов, ионов),
2. наложение на случайное тепловое движение некоторого упорядоченного движения, состоящего в движении положительных зарядов в направлении поля, отрицательных зарядов в противоположном направлении.

Это упорядоченное движение может:

• а) привести к новому равновесному состоянию с несколько измененным распределением заряда, при достижении которого упорядоченное движение прекращается (вращение диполярных молекул, движение полусвязанных ионов);
• б) продолжаются непрерывно, пока существуют в электрическом поле (свободные ионы и электроны).

Поляризации диэлектрика

Эти процессы будут развиваться с разной скоростью. Для завершения перемещения связанных зарядов потребуется очень короткое время; Процессы идут гораздо медленнее. Смещение зарядов в указанном электрическом поле вызывает образование обратного поля, ослабляющего приложенное внешнее поле. Это явление называется диэлектрической поляризацией. Мерой ослабления поля внутри него является электрическая проницаемость (постоянная). Поскольку процесс поляризации не происходит мгновенно, а требует определенного конечного периода времени для завершения, то величины, связанные с явлением поляризации, в частности диэлектрическая проницаемость, являются не постоянными, а переменными, зависящими от времени. С повышением температуры.

Помещаем в постоянное поле

Теперь давайте немного отойдем от того, какие вещества могут быть диэлектриками, а какие нет, тем более, что эту задачу мы уже довольно хорошо решили.

Попробуем теперь ответить на такой интересный вопрос: что произойдет, если диэлектрик поместить в постоянное электрическое поле? Сначала дадим краткий ответ, а потом разберемся в этой проблеме подробнее. Итак, если вы поместите диэлектрик в электрическое поле, заряды на диэлектрике, из которых он состоит, будут находиться под действием некоторых сил, которые будут:

• вытесняют связанные заряды (это просто электроны и ионы)
• наложение на беспорядочное движение тепла поля, которое будет рационализировать это движение (положительные заряды будут идти в одном направлении с полем, а отрицательные — в противоположном)

Что будет давать упорядоченное перемещение

При упорядочении зарядов диэлектрика возможны два полных сценария развития событий:

• новое состояние равновесия с другим распределением зарядов, и движение сразу прекращается при достижении равновесия
• пока действует поле, порядок может длиться до тех пор, пока в нем еще остаются свободные электроны или свободные ионы, о чем мы говорили ранее

Поговорим о поляризации

Следующим важным термином, который пора усвоить, является поляризация диэлектриков. Дело в том, что процессы смещения диэлектрических зарядов протекают с разной скоростью. Как мы уже говорили, для связанных нагрузок время перемещения намного короче, но другие процессы протекают очень медленно.

Когда заряды в диэлектрике перемещаются, образуется другое поле. Он просто ослабляет основное (внешнее) поле. Именно явление образования нового поля называется поляризацией диэлектрика. Теперь давайте углубимся в этот процесс, ведь там много интересных деталей.

Для начала разберемся, почему новое поле появляется именно на прокрутке. Здесь все просто, потому что теперь диэлектрик из неупорядоченного состояния становится более упорядоченным: отрицательные заряды теперь лежат левее своих положительных зарядов. Это то, что создает новое поле.

Проницаемость диэлектрика

Но как измерить, насколько внутреннее поле ослабляет внешнее? Ну тут все очень просто. Такое измерение называется электрической проницаемостью или диэлектрической проницаемостью (вы, наверное, слышали этот термин раньше). Часто говорят, что проницаемость диэлектрика постоянна, но на самом деле, так как поляризация протекает долго, будем говорить, что эта величина зависит от длительности внешнего поля.

Как на проницаемость диэлектрика влияет температура?

Но только если время влияет на электрическую проницаемость. Оказывается, не только.Оказывается, если температура увеличивается, то одновременно увеличивается и интенсивность теплового движения, а это, как вы понимаете, напрямую влияет на проницаемость диэлектрика. Почему? Все просто: переход к стационарному состоянию становится более трудным, и поэтому с ростом температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Пробой диэлектрика

При всех этих явлениях в диэлектрике после приложения напряжения через более или менее длительный промежуток времени создается стационарное или квазистационарное состояние (при переменном напряжении), характеризующееся стабильными значениями поляризации во времени, электропроводность или диэлектрические потери соответственно. Однако при увеличении напряженности поля существует некоторый предел, выше которого стационарное состояние нарушается. Ток, протекающий через него, со временем начинает быстро возрастать, резко возрастает электропроводность, вещество перестает быть диэлектриком и становится проводящим, происходит пробой.

Увеличение электропроводности, характеризующее разрыв, может зависеть от вида вещества и его агрегатного состояния, а также таких факторов, как температура, вид напряжения, продолжительность воздействия напряжения и т д и обусловлено различными явлениями . Эти явления можно разделить на две большие группы:

1. тепловые явления – увеличение электропроводности происходит за счет прогрессирующего нагрева диэлектрика, выделяющихся в нем потерь; пробой происходит, когда его стационарное тепловое состояние становится невозможным;
2. чисто электрические явления: увеличение электропроводности происходит за счет увеличения числа свободных зарядов в результате ударной ионизации, то есть разделения связанных зарядов движущимися зарядами, либо пробоя связанных зарядов непосредственно от самого поля.

Диэлектрики широко используются в технике как электроизоляционные материалы.

Поле в диэлектрике

Как мы уже поняли, поле в диэлектрике направлено точно против внешнего электрического поля. Но этих знаний нам недостаточно, чтобы хорошо разбираться в диэлектриках.

Итак, давайте углубимся в эту тему. Помните, что смещение диэлектрика возникает, когда заряды перенаправляются так, что отрицательные заряды обращены в одну сторону, а положительные — в другую. Итак, давайте рассмотрим виды поляризации.

Деформационная (или же электронная)

Этот тип поляризации интересует нас больше. Следует отметить, что такая поляризация характерна для веществ, состоящих из неполярных молекул, т е не имеющих дипольных моментов. Что творится? Все просто: главное понять, что электронные оболочки смещаются. При этом положительно заряженные ядра атомов движутся навстречу внешнему полю, а отрицательно заряженные электронные оболочки движутся против поля.

Дипольная (или же ориентационная)

Это один из самых распространенных типов поляризации. Однако здесь все с точностью до наоборот. Здесь уже меняется ориентация диполей. Здесь все еще просто: когда поле извне не действует на вещество, порядок диполей абсолютно хаотичен, но когда внешнее поле начинает действовать на вещество, то абсолютно все диполи становятся положительными к полю, воздействующему Как мы уже говорили выше, стабильность положения диполей определяется напряженностью поля и температурой вещества.

Ионная

Да, такого рода поляризацию мы тоже не забыли. Здесь речь идет о смещении решетки положительных ионов. Они будут располагаться вдоль поля, а отрицательные — против.

Так почему же мы сказали вначале, что именно первый тип поляризации будет нас больше интересовать, если мы будем рассматривать положительные заряды? Все просто. Положительные заряды играют какую-то роль только при таком воздействии внешнего поля на материю. Поэтому можно считать, что вы уже знаете о них все, что нужно знать.

Плоский диэлектрик

Почему-то многие иногда называют внутренний диэлектрик планарным конденсатором. Возможно, его так удобнее называть. На самом деле планарный конденсатор — очень интересное устройство, так что давайте поговорим о нем и его диэлектрике (плоском диэлектрике, если уж на то пошло).

Странно, но сейчас плоские конденсаторы большая редкость. Возможно, это связано с пленочными технологиями, которые настолько микроскопичны, что достаточно сложны и дороги в производстве.

Почему плоский с конденсатор с диэлектриком не могут друг без друга?

Ответить на этот вопрос не так уж и сложно. Дело в том, что от диэлектрика зависит самый важный и основной элемент планарного конденсатора: его емкость. Давайте поговорим о том, как это работает. Как известно, аморфное вещество состоит из диполей, которые, в свою очередь, закреплены на своих местах и ​​произвольно ориентированы.

Когда поле действует на это аморфное вещество извне, диполи разворачиваются вдоль силовых линий этого внешнего поля. В этом случае поле ослабевает и заряд постепенно нарастает до тех пор, пока поле не перестанет действовать. И так цикл за циклом. Именно поэтому плоский конденсатор с диэлектриком можно рассматривать только вместе.

Простое объяснение диэлектрической проницаемости

В повседневной жизни вы сталкиваетесь с различными веществами, такими как металлы, вода или кислород. Каждое из этих веществ по-разному реагирует на электрические поля.

Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость или абсолютная диэлектрическая проницаемость) ε описывает способность материала поляризоваться электрическими полями и определяется следующим образом: ε = εr * ε0.

Здесь εr — относительная магнитная проницаемость, а ε0 — электрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость вакуума).

Если понимать значение термина «проницаемость» буквально, то это мера того, сколько вещества «проходит» через электрическое поле. Следовательно, проницаемость можно рассматривать как меру того, сколько материи может быть поляризовано.

Природа диэлектрической проницаемости

Природа диэлектрической проницаемости основана на явлении поляризации под действием электрического поля. Большинство веществ, как правило, электрически нейтральны, хотя и содержат заряженные частицы. Эти частицы хаотично расположены в массе вещества и их электрические поля в среднем нейтрализуют друг друга.

В диэлектриках в основном имеются связанные заряды (их называют диполями). Эти диполи условно представляют собой пучки двух разных частиц, самопроизвольно ориентирующихся по толщине диэлектрика и в среднем создающих нулевую напряженность электрического поля. Под действием внешнего поля диполи стремятся ориентироваться в соответствии с приложенной силой. В результате создается дополнительное электрическое поле. Подобные явления имеют место и в неполярных диэлектриках.

В проводниках процессы аналогичны, только есть свободные заряды, которые под действием внешнего поля разделяются и тоже создают свое электрическое поле. Это поле направлено наружу, экранируя заряды и уменьшая силу их взаимодействия. Чем больше способность вещества поляризоваться, тем больше ε.

Диэлектрическая проницаемость различных веществ

Разные вещества имеют разную диэлектрическую проницаемость. Значение ε для некоторых из них приведено в табл. 1. Очевидно, что эти значения больше единицы, поэтому взаимодействие зарядов, по сравнению с вакуумом, всегда уменьшается. Следует также отметить, что для воздуха ε немного больше единицы, поэтому взаимодействие зарядов в воздухе практически не отличается от взаимодействия в вакууме.

Таблица 1. Значения электрической проницаемости для различных веществ.

ВеществоДиэлектрическая проницаемость

Бакелит	4,5
Бумага	2.0..3.5
Вода	81 (при +20 град С)
Воздух	1.0002
Германий	шестнадцать
Гетинакс	5..6
Древесина	2,7..7,5 (разные степени)
Радиотехническая керамика	10..200
Слюда	5.7..11.5
Стакан	7
Текстолит	7,5
Полистирол	2,5
ПОЛИВИНИЛ ХЛОРИД	3
Фторопласт	2.1
янтарь	2,7

Диэлектрическая проницаемость и ёмкость конденсатора

Знание значения ε важно на практике, например, при создании электрических конденсаторов. Его емкость зависит от геометрических размеров пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Если необходимо получить конденсатор большей емкости, то увеличение площади пластин приводит к увеличению габаритов. Существуют также практические ограничения на уменьшение расстояния между электродами. В этом случае может помочь использование изолятора с повышенной диэлектрической проницаемостью. Если использовать материал с более высоким ε, можно многократно уменьшить размер пластин или увеличить расстояние между ними без потери электрической емкости.

В отдельную категорию выделяют так называемые сегнетоэлектрические вещества, в которых при определенных условиях возникает спонтанная поляризация. В рассматриваемой области они характеризуются двумя моментами:

• большие значения диэлектрической проницаемости (типовые значения, от сотен до нескольких тысяч);
• возможность управления величиной диэлектрической проницаемости путем изменения внешнего электрического поля.

Эти свойства используются для изготовления конденсаторов большой емкости (за счет увеличения значения диэлектрической проницаемости изолятора) с малыми массогабаритными показателями.

Такие устройства работают только в низкочастотных цепях переменного тока: с увеличением частоты их диэлектрическая проницаемость уменьшается. Другое применение сегнетоэлектриков — переменные конденсаторы, характеристики которых изменяются под действием приложенного электрического поля с переменными параметрами.

Диэлектрическая проницаемость и потери в диэлектрике

Также потери в диэлектрике зависят от значения диэлектрической проницаемости: это та часть энергии, которая теряется в диэлектрике на его нагрев. Для описания этих потерь обычно используется параметр tan δ, тангенс угла диэлектрических потерь. Он характеризует мощность диэлектрических потерь в конденсаторе, в котором диэлектрик выполнен из материала с располагаемой tg δ. А удельные потери мощности для каждого вещества определяются по формуле p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, где:

• р — удельные потери мощности, Вт;
• ώ=2*π*f — круговая частота электрического поля;
• E – напряженность электрического поля, В/м.

Очевидно, что чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше потери в диэлектрике при прочих равных условиях.

Зависимость диэлектрической проницаемости от сторонних факторов

Следует отметить, что величина диэлектрической проницаемости зависит от частоты электрического поля (в данном случае от частоты приложенного к пластинам напряжения). С увеличением частоты для многих веществ значение ε уменьшается. Этот эффект ярко выражен для полярных диэлектриков. Это явление можно объяснить тем, что заряды (диполи) уже не успевают следовать за полем. Для веществ, которым свойственна ионная или электронная поляризация, зависимость диэлектрической проницаемости от частоты мала.

Поэтому выбор материалов для изготовления диэлектрического конденсатора очень важен. То, что работает на низких частотах, не обязательно обеспечит хорошую изоляцию на высоких частотах. Чаще всего в качестве изоляторов в ВЧ используют неполярные диэлектрики.

Также диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и у разных веществ по-разному. Для неполярных диэлектриков она уменьшается с ростом температуры. В этом случае для конденсаторов, выполненных с таким изолятором, говорят об отрицательном температурном коэффициенте емкости (ТКЕ): емкость падает с ростом температуры после ε. Для других веществ проницаемость увеличивается с повышением температуры и можно получить конденсаторы с положительным ТКЕ. Включив в пару конденсаторы с противоположным ТКЕ, можно получить термостабильную емкость.

Понимание сущности и знание величины диэлектрической проницаемости различных веществ важно для практических целей. А возможность контролировать уровень диэлектрической проницаемости дает дополнительные технические возможности.

Диэлектрическая проницаемость вакуума

Особую роль играет диэлектрическая проницаемость вакуума (называемая также проницаемостью вакуума). В этом разделе мы расскажем вам о значении и единицах проницаемости вакуума, о том, как она связана с другими константами, и о ее значении в контексте других важных законов.

Числовое значение и единица измерения

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 составляет 8,85418781762039*10-12 или 8,85*10-12, что более практично для расчетов. Единицей константы является F м-1 или, если она выражена в основных единицах СИ м-3 кг-1 с4 A2.

Взаимосвязь с другими константами

Существует замечательная связь между электрической постоянной ε0, магнитной постоянной µ0 и скоростью света в вакууме c0. То есть верно следующее соотношение: c02 = 1/ε0 * µ‎0 .

До 2019 года это уравнение точно определяло значение постоянной электрического поля. Однако в ходе обзора ситуация изменилась, и с 20 мая 2019 года и электрическая постоянная, и магнитная постоянная имеют некоторую погрешность измерения.

Это уравнение было первым указанием на то, что свет может быть электромагнитной волной.

Закон Кулона и электрический потенциал

Помимо того, что электрическая постоянная связана со скоростью света, она фигурирует в других важных законах электродинамики. К ним относятся, например:

• Закон Кулона:

• Электрический потенциал заряженной частицы: φ(r) = q/4*π*ε0*r .

В частности, закон Кулона является основой электростатики, поэтому постоянная электрического поля также имеет большое значение.

Диэлектрическая проницаемость: общий случай

В этом разделе мы рассматриваем общий случай. Мы объясним физический смысл абсолютной диэлектрической проницаемости с помощью электроизоляционных материалов и объясним, что такое относительная диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

В электроизоляционных (диэлектрических) материалах электрические заряды связаны с атомами или молекулами. Следовательно, они могут лишь немного двигаться внутри атомов или молекул. Электрическое поле может изменить распределение заряда в диэлектрике двумя важными способами: деформацией и вращением. Хотя отдельные электрические заряды могут немного двигаться, совокупность всех движений определяет поведение электроизоляционного материала.

Поляризация

В зависимости от того, состоит ли материал из полярных или неполярных молекул, реакция на внешнее электрическое поле различна. С неполярной молекулой происходит растяжение (деформация), при котором поле индуцирует дипольный момент в каждой молекуле материала. Все эти дипольные моменты направлены в том же направлении, что и электрическое поле.

В полярной молекуле, напротив, имеет место вращение, так что и здесь все дипольные моменты направлены в сторону электрического поля. В общем, внешнее электрическое поле вызывает образование в материале большого количества диполей, все из которых ориентированы в том же направлении, что и внешнее поле. Поэтому материал поляризован. Поляризация P описывает, сколько дипольных моментов приходится на единицу объема материала.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

Таким образом, поляризация диэлектрика вызывается электрическим полем. Возникающие направленные дипольные моменты, в свою очередь, создают электрическое поле, противодействующее внешнему полю. Таким образом, это противодействующее поле ослабляет внешнее поле. В общем, связь между поляризацией и внешним электрическим полем сложна. Для многих веществ, так называемых линейных диэлектриков, поляризация пропорциональна полю. Применяется следующее соотношение:

Р = е0 * х * Е, где

Здесь ε0 — электрическая постоянная, χ — электрическая поляризуемость. Электрическое поле E в этом уравнении является полным полем. Поэтому причиной этого могут быть частично свободные заряды и частично сама поляризация.Свободные заряды — это все те носители заряда, которые не являются результатом поляризации. Поэтому это полное электрическое поле очень трудно рассчитать, так как мы обычно не располагаем информацией о распределении поляризующих зарядов.

Для справки: χ — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т д. (сильнее на одних факторах, слабее на других, разумеется, в зависимости от изменения ранга каждого), и называется (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для случая, когда она выражается скаляром, диэлектрической восприимчивостью) данной среды.

Википедия

Электрическая индукция

Для того чтобы можно было рассчитывать электрическое поле даже при наличии диэлектрика, вводится электрическая индукция D. В линейной среде: D = ε0 * E + P = ε0 * E + ε0 * χe * E = ε0 * (1 + χe) * E и, следовательно, D также пропорциональна E.

Если вы объедините константы ε = ε0 * (1 + χe), вы получите: D = ε * E .

Постоянная ε называется диэлектрической проницаемостью.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Величина: εr = 1 + χe = ε/ε0 называется относительной проницаемостью (также относительной диэлектрической проницаемостью). С его помощью полное электрическое поле при наличии диэлектрика определяется следующим образом: E = D / ε = D / εr * ε0 .

При постоянной электрической индукции относительная магнитная проницаемость определяет, насколько ослабевает электрическое поле. Чем больше относительная проницаемость, тем больше ослабляется электрическое поле и, следовательно, уменьшается общая напряженность электрического поля.

Термин относительная проницаемость может привести к неправильному пониманию того, что относительная проницаемость для данного материала является константой. На самом деле относительная проницаемость зависит от многих факторов. Среди них:

• температура материала;
• частота внешнего электрического поля;
• напряженность внешнего электрического поля.

Для некоторых материалов относительная проницаемость также зависит от направления. Поэтому в случае таких материалов это не просто число, а часто тензор второго порядка.

Особенно наглядную иллюстрацию влияния диэлектриков с различной относительной магнитной проницаемостью можно получить, поместив диэлектрик между двумя пластинами конденсатора. Если измерить напряжение на конденсаторе до и после введения диэлектрика, то можно обнаружить, что напряжение на конденсаторе уменьшается ровно на величину εr относительной диэлектрической проницаемости. Это непосредственно следует из уравнения: E = U/d для величины электрического поля между обкладками конденсатора на расстоянии d друг от друга. Это также иллюстрирует, почему εr называется относительной проницаемостью. Напряжение на конденсаторе уменьшается в εr раз за счет введения диэлектрика по сравнению со случаем, когда между обкладками имеется только вакуум.

Относительные диэлектрические проницаемости отдельных материалов

Наконец, мы приводим таблицу с типичными значениями относительной диэлектрической проницаемости (ДП) различных материалов. Следует отметить, что в таких таблицах обычно указывается относительная диэлектрическая проницаемость, а не сама абсолютная диэлектрическая проницаемость. Поэтому, если вы ищете таблицу для определения абсолютной диэлектрической проницаемости определенного материала, вы должны помнить, что указанное там значение не является непосредственно искомой диэлектрической проницаемостью. Однако для заданного значения относительной диэлектрической проницаемости можно вычислить соответствующую абсолютную диэлектрическую проницаемость без особых дополнительных усилий. То есть нам нужно применить уже известную нам следующую формулу: ε = εr * ε0.

Вещество	кхм
Пустой	ровно 1
Гелий	1000065
Медь	5.6
Сухой воздух)	1.00059
Метанол	32,6
Бумага	четырнадцать
Вода (20°C, 0–3 ГГц)	80
Вода (0°C, 0–1 ГГц)	88

Таблица 1. Относительная диэлектрическая проницаемость выбранных веществ
(если не указано иное: при 18°C ​​и 50 Гц)

В предыдущем разделе мы упоминали, что относительная проницаемость зависит, помимо прочего, от температуры и частоты. Поэтому важно знать и температуру, и частоту, если вы хотите получить значение из таблицы. Например, относительная проницаемость воды при 20°C и частоте 0 ГГц равна 80. Если температура 0°C и частота такая же, относительная проницаемость воды равна 88. Медь, с другой стороны, Он имеет относительную проницаемость 5,6. Это означает, что вода как среда снизит напряжение на конденсаторе в 80 раз, а медь только в 5,6 раза.